用于微型铷原子频标中6.835GHz微波器件的研究
铷气室型原子频标结构简单、体积小、重量轻，并且具有良好的稳定性，因此得到了广泛应用。近年来，由于MEMS技术的迅速发展，以及小型原子钟在实际应用上的优越性，实现铷原子频标的微小型化成为各国的主要研究热点。针对铷原子频标的量子部分中需要提供6.835GHz的微波信号，本文主要从微小型化方向研究提供该信号的两种微波器件:介质谐振腔和MEMS电感，并对MEMS电感微制造过程中的电镀工艺做了详细研究。论文主要分为以下三个部分: 第一，对铷原子频标中6.835GHz微波谐振腔进行小型化研究，通过填充高介电常数的陶瓷介质来减小谐振腔的体积。首先，利用混合磁壁法分析介质谐振腔内电磁场分布和频率变化，并根据格林函数法得出谐振频率与探针尺寸、位置的关系方程。其次，基于Ansoft HFSS软件对介质谐振腔进行优化仿真，当填充5.05mm厚的纯度为96％氧化铝陶瓷介质，且谐振腔尺寸取12mm×15mm×18mm时，谐振频率为6.835GHz，模式为TE101，电磁场分布均匀。最后，依据仿真尺寸对谐振腔进行加工制造，得出谐振腔填充5.66mm厚氧化铝陶瓷片，达到6.83GHz的谐振频率，理论分析与实验结果基本一致。 第二，通过研究MEMS电感来代替铷原子频标中的谐振腔来提供6.835GHz的微波信号。从数值和理论上对MEMS电感线圈进行分析设计，得出当电感的线宽30um，间距20um，线高6um，内径550um，外径710um时，频率达到3.417GHz。利用MEMS工艺对微电感进行加工，得出Q值取最高点时的频率为3.308GHz，与设计的频率相对误差为3.2％。 第三，对MEMS电感制造工艺中的微电镀工艺进行详细研究。首先讨论了电镀过程中各工艺参数对镀层质量的影响;接着通过在硅片上的镀铜实验，实际得出电镀时间和电流密度对电镀层的影响，并对铜镀层的形貌、成分以及电导率进行表征;最后，对MEMS电感的微电镀铜实验步骤做了详细讨论，得出当电镀液温度取40℃，电镀时间取27.2mA，电流密度取1 A·dm-2时，MEMS电感铜镀层质量最优。
微型铷原子钟;介质谐振腔;谐振频率;微波器件;电镀工艺
厦门大学
硕士
微电子学与固体电子学
郭航
2014
中文
TN385
89
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）